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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Beleuchtungsvorrichtung der vorgenannten Art ist aus der
DE 10 2012 112 127 A1 bekannt. Die darin beschriebene Beleuchtungsvorrichtung ist als Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges ausgebildet. Der Scheinwerfer umfasst eine Lichtquelle, eine als Objektiv zur Projektion des Lichts der Lichtquelle dienende Linse sowie ein zwischen der Lichtquelle und der Linse angeordnetes LC-Display (Flüssigkristalldisplay). Das LC-Display kann gezielt Anteile des Lichts ausblenden, beispielsweise um eine Hell-Dunkel-Grenze zu erzeugen. Das LC-Display dient somit als bildgebendes Objekt in einer Objektebene, die der Ebene des LC-Displays entspricht. Diese Objektebene ist bei der Ausführungsform gemäß
DE 10 2012 112 127 A1 parallel zu der Objektivebene der Linse.
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Dies hat zur Folge, dass die Fokusebene, auf der die Abbildung scharf dargestellt wird, ebenfalls parallel zur Objektivebene und zur Objektebene des bildgebenden Objekts verläuft. Da die Straße als Projektionsebene nicht parallel zur Fokusebene verläuft, wird die Abbildung folglich nur im Schnittpunkt von Projektionsebene beziehungsweise Straße und Fokusebene scharf dargestellt. Dies entspricht in Fahrtrichtung einer festen Entfernung vom Fahrzeug. Der dazugehörige Strahlengang wird in 7 verdeutlicht. Die Objektebene 1 des bildgebenden Objekts ist parallel zu der Objektivebene 2. Nur dort, wo die Fokusebene 3 und die Fahrbahn 4 eine Schnittlinie bilden, wird das Bild scharf dargestellt beziehungsweise nur in einem kleinen Teil des Projektionsbereichs der Beleuchtungsvorrichtung ergibt sich eine scharfe Darstellung des projizierten Lichts.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art, mit der die Abbildung des bildgebenden Objektes auf einem größeren Teil des Projektionsbereichs scharf dargestellt werden kann.
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Die wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Objektebene und die Objektivebene einen Winkel größer 0° und kleiner 90° miteinander einschließen und/oder dass die optische Achse des Objektivs und das Lot auf der Objektebene einen Winkel größer 0° und kleiner 90° miteinander einschließen. Hier soll als optische Achse des Objektivs auch die an einem Spiegel gespiegelte optische Achse angesehen werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Winkel eine Größe zwischen 0,1° und 25°, vorzugsweise zwischen 0,1° und 20°, insbesondere zwischen 0,1° und 15° aufweist.
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Durch die Verkippung der Objektebene zur Objektivebene beziehungsweise durch die Verkippung der optischen Achse des Objektivs zum Lot auf der Objektebene wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem unter Beachtung der Scheimpflug‘schen Regel gelöst, mit Hilfe derer sich die Fokusebene auf die Projektionsebene legen lässt. Daraus ergibt sich, dass die Abbildung des bildgebenden Objektes auf einem großen Teil des Projektionsbereichs, vorzugsweise nahezu auf dem gesamten Projektionsbereich scharf dargestellt wird. Insbesondere kann dabei jedes einzelne Pixel zur Umsetzung der Lichtverteilung auf der Projektionsebene im Fokus liegen und somit scharf abgebildet werden. Dargestellte Pixel zeigen daher scharfe Kanten auf einem großen Teil des Projektionsbereichs. Dadurch können Pixelüberlagerungen oder Verwischungen reduziert werden, insbesondere stark reduziert werden. Es kann sich daraus ergeben, dass bei Abdunkeln eines Pixels eine klare Helligkeitsgrenze entsteht. Auch im Falle eines Spotlights durch Aktivieren nur eines bestimmten Pixels lässt sich eine klare Helligkeitsgrenze erzielen.
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Es besteht die Möglichkeit, dass das bildgebende Objekt ein DMD (Digital Micromirror Device) oder ein LC-Display oder ein strukturierter Leuchtstoff oder eine Matrix von Lichtquellen wie beispielsweise eine LED-Matrix ist. Eine mit einem derartigen bildgebenden Objekt ausgestattete Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht es, die Lichtverteilung beispielsweise im Bereich des Fahrzeugvorfeldes individuell und dynamisch anzupassen. Dabei wird durch das Objektiv die Lichtverteilung des bildgebenden Objekts vor das Fahrzeug projiziert.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine Lichtquelle umfasst, deren Licht auf das bildgebende Objekt auftrifft. Dies ist insbesondere bei nicht selbstständig lichterzeugenden bildgebenden Objekten wie einem DMD, einem LC-Display oder einem strukturierten Leuchtstoff vorgesehen. Wenn beispielsweise eine LED-Matrix als bildgebendes Objekt dient, kann auf eine zusätzliche Beleuchtungsvorrichtung verzichtet werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsebene, in die die Objektebene von dem Objektiv im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung projiziert wird, der horizontalen Ebene außerhalb des Fahrzeugs, insbesondere der Straße, entspricht. Dabei können sich die Objektebene, die Objektivebene und die Projektionsebene in einer gemeinsamen Geraden schneiden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungsvorrichtung einen Spiegel umfasst, der im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung von dem bildgebenden Objekt ausgehendes Licht in Richtung auf das Objektiv reflektiert. Dabei muss die Objektebene nicht zwingend einen Winkel ungleich null mit der Objektebene einschließen. Vielmehr können hier aufgrund der Verkippung der, insbesondere ebenfalls an dem Spiegel gespiegelten, optischen Achse des Objektivs zum Lot auf der Objektebene eine durch den Spiegel erzeugte virtuelle Objektebene, die Objektivebene und die Projektionsebene sich in einer gemeinsamen Schnittgeraden schneiden, so dass hinsichtlich der durch den Spiegel erzeugten virtuellen Objektebene die Scheimpflug‘schen Regel erfüllt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das bildgebende Objekt strukturiert ist, so dass in die Projektionsebene eine Struktur, vorzugsweise Symbole und/oder Zeichen projiziert werden, mit denen insbesondere an einen Betrachter Informationen übermittelt werden können. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln die Umgebung des Kraftfahrzeugs dazu verwendet werden, dem Benutzer oder einem Außenstehenden Informationen zu übermitteln. Durch eine klare Auflösung und Projektion über das gesamte Fahrzeugvorfeld und insbesondere durch eine verzerrungsfreie horizontale Pixelanordnung wird dabei eine scharfe Darstellung von Symbolen wie Geschwindigkeits- oder anderen Warnhinweisen ermöglicht.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein Scheinwerfer, insbesondere ein Frontscheinwerfer, ist oder dass die Beleuchtungsvorrichtung für den Einbau in einen Seitenspiegel, einen Kotflügel, einen Kühlergrill oder einen beliebigen anderen Einbauort geeignet ist. Es kann dabei vorgesehen sein, dass mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtungen derart um das Fahrzeug angebracht werden, dass rund um das Fahrzeug herum ein 360°-Projektor umgesetzt werden kann.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Orientierung von Objektebene, Objektivebene und Projektionsebene einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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2 ein geometrisches Modell zur Verdeutlichung der verwendeten Bezeichnungen;
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3a eine Intensitätsverteilung eines horizontalen Lichtbalkens in einer Projektionsebene bei einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
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3b eine Intensitätsverteilung eines horizontalen Lichtbalkens in einer Projektionsebene bei einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines ersten Anwendungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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5 eine schematische Darstellung eines zweiten Anwendungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
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6 eine schematische Skizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, bei der zwischen der Objektebene und der Objektivebene ein Spiegel angeordnet ist;
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7 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Orientierung von Objektebene, Objektivebene und Projektionsebene einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
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In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine in den 1 und 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst ein bildgebendes Objekt 10, das in einer Objektebene 11 angeordnet ist. Das bildgebende Objekt 10 kann ein DMD oder ein LC-Display oder ein strukturierter Leuchtstoff oder eine Matrix von Lichtquellen wie beispielsweise eine LED-Matrix sein. Für den Fall, dass das bildgebende Objekt 10 keine Lichtquelle wie beispielsweise eine LED-Matrix aufweist, umfasst die Beleuchtungsvorrichtung noch zusätzlich mindestens eine in den Figuren nicht abgebildete Lichtquelle, deren Licht auf das bildgebende Objekt 10 auftrifft.
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Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst weiterhin ein Objektiv 12, das in einer Objektivebene 13 angeordnet ist. Das Objektiv 12 kann beispielsweise als einfache Sammellinse ausgebildet sein oder aus einer Mehrzahl von Linsen bestehen. Das Objektiv 12 weist eine optische Achse 14 (siehe 2) und eine Brennweite f auf. Die optische Achse 14 verläuft dabei orthogonal zur Objektivebene 13. Die Brennweite f des Objektivs 12 ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Die Objektivebene 13 und die Objektebene 11 sind zueinander verkippt und schließen einen Winkel Δα miteinander ein. Der Winkel Δα kann eine Größe zwischen 0,1° und 40°, vorzugsweise zwischen 0,5° und 20°, insbesondere zwischen 1° und 15° aufweisen.
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Das von dem bildgebenden Objekt 10 ausgehende Licht wird von dem Objektiv 12 in ein Abbild 15 in einer Projektionsebene 16 überführt, wobei die Projektionsebene 16 insbesondere der Fahrbahn entsprechen kann. Die Projektionsebene 16, die Objektivebene 13 und die Objektebene 11 weisen entsprechend der Scheimpflug’schen Regel einen gemeinsamen Schnittpunkt beziehungsweise eine gemeinsame Schnittgerade 17 auf.
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2 stellt ein geometrisches Modell der Beleuchtungsvorrichtung dar und dient zur Verdeutlichung der in den nachfolgend wiedergegebenen Gleichungen verwendeten Größen und Bezeichnungen.
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Die Einbauhöhe h1 der beispielsweise als Scheinwerfer ausgebildeten Beleuchtungsvorrichtung entspricht der Höhe des Schnittpunkts von optischer Achse 14 und Objektivebene 13 über der Projektionsebene 16, auf der sich das Abbild 15 aus den Abschnitten B1 und B2 zusammensetzt. Dabei wird mit p1 der horizontale Abstand des fahrzeugseitigen Endes des Abbilds 15 von dem Fahrzeug beziehungsweise dem Einbauort der Beleuchtungsvorrichtung im Fahrzeug bezeichnet, wobei hier als relevanter Einbauort der Schnittpunkt der optischen Achse 14 mit der Objektivebene 13 gewählt ist, der zur Bestimmung des Abstands auf die Projektionsebene 16 projiziert ist. Mit p2 wird der horizontale Abstand des vom Fahrzeug abgewandten Endes des Abbilds 15 von dem Fahrzeug bezeichnet. p1 bezeichnet somit den kürzesten Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem Projektionsbereich, wohingegen p2 den Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem maximal entferntesten Projektionsbereich beschreibt.
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Der Abstand pb bezeichnet die Entfernung des Schnittpunktes der optischen Achse 14 mit der Projektionsebene 16 zu dem Fahrzeug. Insbesondere ist der Abstand pb größer als der Abstand p1 und kleiner als der Abstand p2, vorzugsweise liegt der Abstand pb etwa in der Mitte zwischen dem Abstand p1 und dem Abstand p2.
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Das bildgebende Objekt 10 wird in 2 schematisch als aus Abschnitten G1 und G2 bestehend dargestellt. Das bildgebende Objekt 10 weist einen Abstand g zur Objektivebene 13 auf. Dabei ist g größer f und kleiner 2f. Insbesondere ist g nur wenig größer als f, so dass sich das bildgebende Objekt 10 nahezu im Brennpunkt der Optik befindet. Aus den Größen f und g resultiert der Abstand b des Schnittpunktes der optischen Achse 14 mit der Projektionsebene 16 von dem Schnittpunkt der optischen Achse 14 mit der Objektivebene 13.
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Der Verkippungswinkel α
1 der Objektivebene
13 gegenüber der Vertikalen resultiert aus folgendem formalen Zusammenhang:
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Dabei bezeichnen positive Verkippungswinkel ein Verkippen nach vorne. Die Höhe h
2 ergibt sich aus dem Schnittpunkt aus optischer Achse
14 und Objektebene
11 und dessen Höhe über der Projektionsebene
16. Die Höhe h
2 ist eine Funktion aus α
1 und g. Der Verkippungswinkel der Objektebene
11 gegenüber der Vertikalen wird mit α
2 bezeichnet. Die Lage der Schnittgeraden
17 stellt mit den Größen α
1 sowie α
2 eine Zwischengröße dar, die zur Berechnung von α
2 notwendig ist. Der Winkel α
2 ergibt sich mit
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Daraus resultiert der Winkel Δα der Gesamtverkippung der Objektivebene 13 zur Objektebene 11 über Δα = f(h1, g, f) = α1 – α2
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Bei der Beleuchtungsvorrichtung liegt insbesondere jedes einzelne Pixel zur Umsetzung der Lichtverteilung auf der Projektionsebene 16 im Fokus und wird somit scharf abgebildet. Daraus folgt, dass bei Abdunkeln eines Pixels eine klare Helligkeitsgrenze entsteht. Auch im Falle eines Spotlights durch Aktivieren nur eines bestimmten Pixels lässt sich eine klare Grenze erkennen. Darüber hinaus wird durch die klare Auflösung und Projektion über das gesamte Fahrzeugvorfeld eine scharfe Darstellung von Symbolen wie Geschwindigkeits- oder anderen Warnhinweisen ermöglicht. Insbesondere ergibt sich auch eine verzerrungsfreie horizontale Pixelanordnung.
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3a zeigt eine Intensitätsverteilung eines beispielhaften horizontalen Lichtbalkens in einer Projektionsebene bei einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. 3a verdeutlicht, dass bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungsvorrichtung die Projektionen 5 eine Verzerrung in der Vertikalen und in der Horizontalen aufweisen. 3b hingegen verdeutlicht, dass bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung die Verzerrung der horizontalen Pixelanordnungen durch die Scheimpflugkorrektur aufgehoben wird, so dass die dem Abbild 15 entsprechenden Projektionen scharf dargestellt werden. 3b verdeutlicht dabei, dass die Übergänge von Hell zu Dunkel in jeder Entfernung annähernd parallel verlaufen.
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6 verdeuticht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Objektebene 11 des bildgebenden Objekts 10 parallel zur Objektivebene 13 des Objektivs 12 ist. Im Strahlengang zwischen dem bildgebenden Objekt 10 und dem Objektiv ist ein Spiegel 20 angeordnet, der das von dem bildgebenden Objekt 10 ausgehende Licht auf das Objektiv 12 reflektiert. Der Spiegel 20 ist so gegenüber dem Objektiv 12 verkippt, dass die optische Achse 14 des Objektivs 12 nach Spiegelung an dem Spiegel 20 einen Winkel Δα mit dem Lot 21 auf der Objektebene 11 einschließt.
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In 6 ist weiterhin ein virtuelles bildgebendes Objekt 10‘ eingezeichnet, von dem das durch das Objektiv 12 hindurchtretende Licht ausgehen würde, wenn der Spiegel 20 nicht vorhanden wäre. Es zeigt sich, dass für dieses virtuelle bildgebende Objekt 10‘ die Scheimpflug‘schen Regel erfüllt ist, so dass die virtuelle Objektebene 11‘ des virtuellen Objekts 10‘, die Objektivebene 13 und die Projektionsebene 16 sich in einer gemeinsamen Schnittgeraden 17 schneiden. Es zeigt sich dabei, dass der Winkel Δα zwischen der virtuellen Objektebene 11‘ und der Objektivebene 13 dem Winkel Δα zwischen der optischen Achse 14 des Objektivs 12 und dem Lot 21 auf der Objektebene 11 entspricht.
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In 4 ist ein Anwendungsfall verdeutlicht, bei der die Beleuchtungsvorrichtung als Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs 18 ausgebildet ist. Dabei wird eine hochauflösende Scheinwerferlichtverteilung in das Fahrzeugvorfeld umgesetzt. Die Beleuchtungsvorrichtung wird zur Generierung einer Abblendlichtverteilung so ausgelegt, dass jedes einzelne bildgebende Element in der Objektebene 11 auf der Projektionsebene 16 im Fokus liegt.
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In 5 ist ein Anwendungsfall verdeutlicht, bei dem die Beleuchtungsvorrichtung als Projektionsvorrichtung im Seitenspiegel 19 eines Fahrzeugs 18 ausgebildet ist. Die Implementierung einer Projektionsvorrichtung im Seitenspiegel 19 ermöglicht die Darstellung von Symbolen, Zeichen oder anderen Elementen entlang der Fahrzeugseite.
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Anstelle einer Projektion nach vorne beispielsweise mit einer als Scheinwerfer ausgeführten Ausführungsform oder zur Seite mit einer in den Seitenspiegel integrierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kommen auch Projektionen nach hinten in Betracht, beispielsweise wenn eine entsprechende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung an oder in der Rückseite des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objektebene
- 2
- Objektivebene
- 3
- Fokusebene
- 4
- Fahrbahn
- 5
- Projektion
- 10
- Bildgebendes Objekt
- 10‘
- Virtuelles bildgebendes Objekt
- 11
- Objektebene
- 11‘
- Virtuelle Objektebene
- 12
- Objektiv
- 13
- Objektivebene
- 14
- Optische Achse
- 15
- Abbild
- 16
- Projektionsebene
- 17
- Schnittgerade
- 18
- Fahrzeug
- 19
- Seitenspiegel
- 20
- Spiegel
- 21
- Lot auf der Objektebene
- α1
- Verkippungswinkel der Objektivebene gegenüber der Vertikalen
- α2
- Verkippungswinkel der Objektebene gegenüber der Vertikalen
- Δα
- Winkel zwischen Objektivebene und Objektebene
- b
- Abstand Abbild zu Objektiv
- B1
- Erster Abschnitt des Abbilds
- B2
- Zweiter Abschnitt des Abbilds
- g
- Abstand Objekt zu Objektiv
- G1
- Erster Abschnitt des bildgebenden Objekts
- G2
- Zweiter Abschnitt des bildgebenden Objekts
- h1
- Höhe des Objektivs über Fahrbahn
- h2
- Höhe des Objekts über Fahrbahn
- p1
- Abstand Fahrzeug zu fahrzeugseitigem Ende des Abbilds
- p2
- Abstand Fahrzeug zu fahrzeugabgewandtem Ende des Abbilds
- pb
- Abstand Fahrzeug zu Schnittpunkt optischer Achse mit Projektionsebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012112127 A1 [0002, 0002]
